EP0178216B1 - Système de bobines de production de champs additionnels pour l'obtention, dans un aimant comportant des pièces polaires de polarisation pour imagerie par résonance magnétique nucléaire, de champs de polarisation à gradients constants - Google Patents

Système de bobines de production de champs additionnels pour l'obtention, dans un aimant comportant des pièces polaires de polarisation pour imagerie par résonance magnétique nucléaire, de champs de polarisation à gradients constants Download PDF

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EP0178216B1
EP0178216B1 EP85401895A EP85401895A EP0178216B1 EP 0178216 B1 EP0178216 B1 EP 0178216B1 EP 85401895 A EP85401895 A EP 85401895A EP 85401895 A EP85401895 A EP 85401895A EP 0178216 B1 EP0178216 B1 EP 0178216B1
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EP
European Patent Office
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coils
turns
axis
pole pieces
gradients
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EP85401895A
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German (de)
English (en)
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EP0178216A2 (fr
EP0178216A3 (en
Inventor
André Briguet
Christian Jeandey
Edmond Tournier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Publication date
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Publication of EP0178216A3 publication Critical patent/EP0178216A3/fr
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    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
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    • G01R33/38—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
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    • G01R33/387—Compensation of inhomogeneities
    • G01R33/3875—Compensation of inhomogeneities using correction coil assemblies, e.g. active shimming

Definitions

  • the present invention relates to imaging techniques using the so-called nuclear magnetic resonance (NMR) method currently in rapid development, in particular for examining the human body, from which it makes it possible to obtain images of high quality and precision previously unknown with conventional X-ray radiology methods.
  • NMR nuclear magnetic resonance
  • the NMR imaging method uses the nuclear magnetic resonance property of certain nuclei present in the human body, essentially protons distributed throughout the organism, and some nuclei of biological interest but in much less abundance such as phosphorus ( 3 1P), potassium (39K), sodium (23Na).
  • a medical NMR installation consists mainly of a magnet intended to produce throughout the body area to examine a polarizing magnetic field static and uniform, to which is superimposed, using an auxiliary coil, a rotating radiofrequency field in a plane perpendicular to the direction of the field previous.
  • the resonance signal detected is proportional to the magnetization of the nuclei placed in the magnetic field of polarization.
  • the observation of the resonance phenomenon therefore requires the presence of a high magnetic field (0.1 to 1 tesla) and very high uniformity throughout the volume to be imaged.
  • the actual magnetic resonance image which constitutes the medical purpose of the patient's exploration, is then progressively constructed by spatial coding using a computer.
  • several known methods exist, in particular of constructing the image by points, by lines and by planes, the details of which it is not necessary to return here; it will suffice to know, for the understanding of the present text, that they all imply the superposition on the field of polarization and successively over time a large number of complementary fields of very low durations and amplitudes, variable in the three directions (x, y and z) of space, to create with a resulting field whose component has spatial gradients and constants along x, y and z, z being the direction of the field
  • the field has a value of 0.1 to 1 tesla and the gradients have an order of magnitude of 10 -1 to 10 -2 Tesla / meter with an average length of ⁇ 20 cm. Also for information, it takes about 6 minutes by this method to construct a cut of 128x128 points, which corresponds to the establishment of 128 different coding gradients. Modern machines allow several cuts (4 to 6) to be obtained simultaneously.
  • the magnet used to create the magnetic field polarization can be, depending on the case, either an electromagnet, with or without a magnetic circuit, or a permanent magnet, each of these solutions having certain advantages and specific drawbacks.
  • an electromagnet In the case of an electromagnet, the latter most often consists of simple helical coils in the air, to the exclusion of any magnetic circuit, the winding diameter of which is provided with a dimension sufficient to surround the patient's skull or body and all the necessary accessories (antenna, gradient coils, ). These coils then produce a field of polarization which crosses the patient from head to toe along the axis of his body.
  • the presence of a magnetic circuit means that the patient must be housed in a tunnel defined by the magnet casing and the polarization induction then generally crosses the patient's body from the chest to the back in a sagittal direction.
  • the present invention relates precisely to the field of devices for producing linear magnetic field gradients in magnets, permanent or electromagnets, having pole pieces of high permeability and applies particularly well, although not without limitation, to permanent magnets of the type of those which are the subject of the unpublished French patent application No. EN 8405903 of April 13, 1984 and whose structure will be recalled below.
  • the invention therefore applies to the case where the patient lying in the air gap between an upper pole piece and a lower pole piece is crossed by the polarization field in a sagittal direction identified with the axis Oz.
  • correction coils are used to create the complementary fields producing constant spatial gradients, calculated to generally correct the inhomogeneities of the polarization field up to the fourth order, order by order, with a set of coils for each order, and the gradients are assimilated to first order corrections.
  • FIG. 1 there is shown, seen from the front in perspective, a permanent magnet system comprising its two upper 1 and lower 2 pole pieces of generally rectangular parallelepiped shape in a ferromagnetic material of very high permeability.
  • the structure is completed laterally by two magnetizing blocks 3 and 4 also of rectangular parallelepiped shape in magnetized materials which are the seat of the magnetomotive force intended to produce the field in the air gap 5 in the form of a tunnel, delimited precisely by the pole pieces 1 and 2 and the magnetized blocks 3 and 4.
  • These latter blocks 3 and 4 are most often formed by the juxtaposition of columns each consisting of a stack of elementary magnetic bricks such as 3a, 3b, 3c, ... etc 4a , 4b, 4c ...
  • the tunnel-shaped air gap 5 intended for the possible accommodation of all or part of a human body 6, has, for this purpose, a minimum width and height of the order of 500 mm.
  • FIG. 1 the distribution of the magnetic flux and of the field lines in the magnetic blocks 3 and 4 as well as in the pole pieces 1 and 2 is shown by arrows.
  • the magnetic induction of polarization Bo in the tunnel 5 is directed vertically from top to bottom, that is to say from the pole piece 1 towards the pole piece 2, thus passing through the body 6 of the patient in an identified sagittal direction, throughout the rest of the present text, with the reference axis Oz of the reference trihedron Ox, y, z of figure 1.
  • the gradients of the component Bz according to Oz of the different resulting fields necessary for the construction of the image by spatial coding namely must be constant and satisfy the following three equalities: in which Bz is the component of the resulting induction along the axis Oz previously defined and Gx, Gy, Gz are the three constant gradients of the resulting induction in the three directions Ox, Oy and Oz.
  • the present invention specifically relates to a system of coils, adaptable in particular to the preceding structure as well as to any type of magnets having floating pole pieces of high permeability, and producing fields with constant gradients at ⁇ 1% in the volumes. to image.
  • This system of coils for producing additional fields in a magnet comprising two pole pieces for nuclear magnetic resonance imaging in a configuration where the polarization field perpendicular to the pole pieces, is parallel to the direction Oz of a reference trirectangle trihedron, and the pole pieces, rectangular each have two opposite faces and have their sides parallel to the directions Ox and Oy of this same trihedron, for obtaining resulting polarization fields whose component in the direction Oz has constant gradients Gx, Gy, Gz in the three directions of space.
  • the system according to the present invention is characterized according to the characterizing part of claim 1.
  • the windings for creating the gradients G x and Gy can be in two different forms.
  • the "returns" of current are located on the opposite face of the "go" conductors and each pole piece is thus in a way “swaddled” by the conductors which run through its two faces.
  • the magnet is a permanent magnet provided with pole pieces
  • the invention proposes a particularly simple system of coils which make it possible to create, with a linearity to within 1%, such additional fields leading to constant gradients.
  • all the coils are located on the pole pieces without any loss of space for the patient who must be housed in the tunnel formed by the magnetic circuit of the magnet.
  • the Oz axis winding system is composed of two symmetrical coils located on the pole pieces and each designed in such a way that the current intensity which crosses a plane passing through the Oz axis, between the center of the coil and a point distant from r of this axis, ie proportional to r2.
  • the turns thereof are distributed in groups located at distances r, 2r, 3r, ... from the axis Oz, the number of turns of the successive groupings being equal to the terms of the sequence of odd numbers 1, 3, 5 ... (2n + 1).
  • the sum of the odd numbers from 1 to 2n + 1 is equal to (n + 1) 2, which is in accordance with the characteristic previously stated for the grouping of the turns of coils.
  • the Oz axis winding system is produced using a printed circuit in the form of a spiral, the spacing between the bands narrowing as the 'We move away from the center so as to respect the law of distribution of the current in proportion to r2 in the radial direction.
  • the system of windings of circular symmetry of axis Oz consists of discrete coils located on the straight sections of circular cones of vertex 0, center of the air gap, of Oz axis and half angles at the top e.
  • FIG. 2 there is shown schematically in perspective the two pole pieces 1 and 2 of the magnet of Figure 1 on which are located the windings 1a and 1b of creation of the gradient Gx and 2a and 2b of creation of the gradient Gy.
  • the coils 1a and 1b on the one hand and 2a and 2b on the other hand are mounted in series and surround the pole pieces 1 and 2 with two layers of current made up of conductors parallel to the directions Ox and Oy and uniformly distributed on the surface of the pole pieces 1 and 2.
  • the winding 2a, 2b which is used to create the gradient Gy is orthogonal to the first and is constituted in the same way by sheets of parallel conductors uniformly distributed along the Ox axis. According to the invention, and as can be seen in FIG.
  • the windings are produced either with insulating wire encircling the pole pieces 1 and 2, or by etching on a printed circuit, the two planes of which are thus joined together by rigid connecting strips or wires.
  • the layers 1a and 1b on the one hand are traversed in series by the same intensity as well as the layers 2a and 2b on the other hand.
  • the length of the pole pieces 1 and 2 being large compared to the thickness of the air gap necessary for the homogeneity of the field one thus easily obtains constant gradients to within plus or minus 1% on approximately half of each of the polar plates 1 and 2. If one wishes to further increase the homogeneity of the continuous field we can improve the homogeneity zone of the previous gradient by slightly modifying the spacing of the conductors of the sheets 1a, 2a and 1b, 2b above near the ends of the plates or what amounts to the same by superimposing on regular sheets a few amps- additional turns. This correction is of the same nature as that of the continuous field obtained in permanent magnets using guard ring systems.
  • Equation 2 shows that the proportionality of the component Bz (X) to the abscissa X is obtained automatically by a constant current density i whose value is given by equation 2.
  • this coil has turns distributed as follows. At the distance r from the center 0 is located a turn referenced 8, at the distance 2r from the center 0 there are three turns referenced 9 and at the distance 3r from the center 0 are five turns referenced 10. All these turns are obviously in series between an inlet 11 and an outlet 12 and two assemblies such as that of FIG. 4 face each other on the two pole pieces 1 and 2, each of these assemblies being traversed by the same intensity i circulating in the opposite direction to the direction of circulation in the other coil.
  • the number of groups of turns is not limiting. In practice, we will take a step between each group of the order of a centimeter.
  • FIG. 5 there is shown a coil for creating the gradient Gz which comprises around the axis Oz, on the flat face of the pole piece facing the air gap, a printed circuit 13 in the form of a spiral whose spacing between the different bands tapers as one moves away from the center 0, so that the intensity of current flowing perpendicular to one of the xOz or yOz planes between the center 0 and a point distant from r, be proportional to the square of the distance r at the center 0.
  • FIG. 6 an alternative embodiment of the creative coil of the gradient Gz is shown, in which this coil comprises a number of flat turns such as 14 assembled in concentric zones, each of which is the width of a turn.
  • This produces a conical profile stack in the plane of the figure which is the plane yOz of Figure 1.
  • the different turns thus stacked are isolated from each other, mounted in series and traversed by currents whose directions marked in FIG. 6 are opposite when passing from the coil covering the pole piece 1 to the coil covering the pole piece 2.
  • the distribution of the various elementary flat turns responds to the condition that the number of turns in a plane zOy from the center to the distance r from the axis Oz is proportional to r2.
  • FIG 9 there is shown a structure of the same nature as that of Figure 8 but comprising on each pole piece three coils instead of the previous two; they are referenced respectively 24, 25 and 26 for the pole piece 1 and 27, 28 and 29 for the pole piece 2.
  • these coils are located at the intersection of the pole pieces 1 and 2 with cylindrical cones of revolution of axis Oz and half-angles at the respective vertices 26 ° for the first cone, 47 ° for the second and 69 ° for the third.
  • the ratios of the numbers of turns in each of the coils are, from the center to the periphery, of the order of 1 to 3.89 and 31.85.
  • the directions of current shown on the coils are reversed when passing from the pole piece 1 to the pole piece 2.
  • the coil systems which are the subject of the invention are located right against the faces of the pole pieces facing the polarization magnet and therefore practically do not lead to no loss of space for the space reserved in the air gap in the accommodation of the patient to be examined.

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Description

  • La présente invention se rapporte aux techniques d'imagerie par la méthode dite de résonance magnétique nucléaire (RMN) actuellement en voie de développement rapide, notamment pour l'examen du corps humain, dont elle permet d'obtenir des images d'une qualité et d'une précision inconnues jusqu'ici avec les méthodes de la radiologie classique aux rayons X.
  • La méthode d'imagerie RMN utilise la propriété de résonance magnétique nucléaire de certains noyaux présents dans le corps humain, essentiellement les protons répartis dans tout l'organisme, et quelques noyaux d'intérêt biologique mais en abondance beaucoup moins grande tels que le phosphore (31P), le potassium (39K), le sodium (23Na).
  • Une installation de RMN médicale se compose principalement d'un aimant destiné à produire dans toute la zone du corps à examiner un champ magnétique de polarisation
    Figure imgb0001
    statique et uniforme, auquel on superpose, à l'aide d'une bobine auxiliaire, un champ tournant de radiofréquence dans un plan perpendiculaire à la direction du champ
    Figure imgb0002
    précédent.
  • Les images sont obtenues en faisant résonner les noyaux d'hydrogène ou protons, contenus dans les tissus biologiques. Cette résonance est possible parce que chaque proton se comporte comme un microscopique aimant. En effet, lorsque l'on applique le champ statique
    Figure imgb0003
    les spins s'orientent tous parallèlement à l'axe du champ. Ils n'ont donc plus que deux orientations possibles : dans le sens du champ ou en sens contraire. Lorsqu'on applique en plus le champ tournant à une fréquence quelconque, il ne se passe rien. Mais si cette fréquence est choisie égale ou très voisine de fo, telle que 2nfo=yBo, formule dans laquelle y est une constante physique caractéristique des noyaux que l'on veut mettre en résonance et dénommée rapport gyromagnétique, le couplage des spins et du champ tournant atteint une valeur telle que ceux-ci entrent en résonance.
  • Le signal de résonance détecté est proportionnel à l'aimantation des noyaux placés dans le champ magnétique
    Figure imgb0004
    de polarisation. L'observation du phénomène de résonance requiert donc la présence d'un champ magnétique élevé (de 0,1 à 1 tesla) et de très grande uniformité dans tout le volume à imager.
  • L'image de résonance magnétique proprement dite, qui constitue la finalité médicale de l'exploration du patient, est ensuite construite progressivement par codage spatial à l'aide d'un ordinateur. Pour ce faire, plusieurs méthodes connues existent, notamment de constructions de l'image par points, par lignes et par plans, sur le détail desquelles il n'est pas nécessaire de revenir ici ; il suffira de savoir, pour la compréhension du présent texte, qu'elles impliquent toutes la superposition au champ de polarisation
    Figure imgb0005
    et successivement dans le temps d'un grand nombre de champs complémentaires de durées et d'amplitudes très faibles, variables dans les trois directions (x, y et z) de l'espace, pour créer avec
    Figure imgb0006
    un champ résultant
    Figure imgb0007
    dont la composante
    Figure imgb0008
    a des gradients spatiaux
    Figure imgb0009
    et
    Figure imgb0010
    constants selon x, y et z, z étant la direction du champ
    Figure imgb0011
    L'antenne et l'électronique associées pour la réception des différents signaux de résonance des protons ont une bande passante suffisamment large pour recevoir les fréquences de résonance f, voisine de fo, correspondant en chaque point examiné la valeur 2nf=yB, B étant le module du champ résultant en ce point, par définition voisin de
    Figure imgb0012
  • A titre indicatif, le champ
    Figure imgb0013
    a une valeur de 0,1 à 1 tesla et les gradients
    Figure imgb0014
    ont un ordre de grandeur de 10-1 à 10 -2 tesla/mètre sur une longueur moyenne de ± 20 cm environ. Ega- lement à titre indicatif, il faut 6 minutes environ par cette méthode pour construire une coupe de 128x128 points, ce qui correspond à l'établissement de 128 gradients de codage différents. Les machines modernes permettent d'obtenir plusieurs coupes (4 à 6) simultanément.
  • L'aimant utilisé pour créer le champ magnétique
    Figure imgb0015
    de polarisation peut être, selon les cas, soit un électroaimant, avec ou sans circuit magnétique, soit un aimant permanent, chacune de ces solutions présentant certains avantages et inconvénients spécifiques.
  • Lorsqu'il s'agit d'un électroaimant, ce dernier se compose le plus souvent de simples bobines hélicoïdales dans l'air, à l'exclusion de tout circuit magnétique, dont le diamètre d'enroulement est prévu avec une dimension suffisante pour entourer le crâne du patient ou son corps et tous les accessoires nécessaires (antenne, bobines de gradient,...). Ces bobines produisent alors un champ
    Figure imgb0016
    de polarisation qui traverse le patient des pieds à la tête selon l'axe de son corps.
  • Lorsqu'il s'agit d'un aimant permanent, la présence d'un circuit magnétique oblige à loger le patient dans un tunnel défini par la carcasse de l'aimant et l'induction de polarisation
    Figure imgb0017
    traverse alors généralement le corps du patient de la poitrine vers le dos selon une direction sagittale.
  • La présente invention se rapporte précisément au domaine des dispositifs de production des gradients de champ magnétique linéaires dans des aimants, permanents ou électroaimants, possédant des pièces polaires de forte perméabilité et s'applique particulièrement bien, encore que de façon non limitative, aux aimants permanents du type de ceux qui font l'objet de la demande de brevet française non publiée n° EN 8405903 du 13 avril 1984 et dont on rappellera plus loin la structure. L'invention s'applique donc au cas où le patient couché dans l'entrefer entre une pièce polaire supérieure et une pièce polaire inférieure est traversé par le champ de polarisation selon une direction sagittale identifiée à l'axe Oz.
  • Les dispositifs de production de champs magnétiques à gradients constants constituent une partie très importante d'un imageur et conditionnent sa structure puisque :
    • 1) - de la qualité des gradients dépend la qualité de l'image, toute variation du gradient entraînant une distorsion de celle-ci,
    • 2) - les dispositifs, généralement des bobines, doivent être placés aussi près que possible de l'objet à imager selon des conditions de linéarité impérieuses (à 1% près dans tout le volume à imager) afin de limiter l'entrefer de l'aimant et par suite le poids donc le coût de la machine, et ce, dans des configurations spatiales telles qu'elles permettent le passage du patient dans ledit entrefer,
    • 3) - le mode de production des champs à gradients constants doit s'intégrer le mieux possible à la structure du circuit magnétique (en l'occurrence aux pièces polaires) pour limiter la puissance des alimentations de courant pulsées, qui peut atteindre quelques dizaines de kW dans les imageurs actuels (résistifs et cryoaimants),
    • 4) - les champs à gradients constants doivent être établis à chaque mesure dans des temps relativement courts, inférieurs à quelques ms.
  • Pour les systèmes à imagerie RMN à aimants "résistifs" ou supraconducteurs constitués de bobinages, dont les lignes de champ se referment dans l'air, on a recours, pour créer les champs complémentaires produisant des gradients spatiaux constants, à des bobines de correction, calculées pour corriger d'une façon générale les inhomogénéités du champ de polarisation jusqu'au quatrième ordre, ordre par ordre, avec un jeu de bobines pour chaque ordre, et l'on assimile les gradients à des corrections du premier ordre.
  • Tous ces systèmes s'appuient sur le fait que tout champ magnétique physiquement réalisable peut se développer selon une base de fonctions orthogonales, le plus souvent des harmoniques sphériques de Legendre. Cette procédure permet de profiler le champ à différents ordres, le gradient étant une approximation du champ au premier ordre. L'avantage de cette méthode est que, en théorie, les différents paramètres de réglages associés à un certain ordre (par exemple courant électrique dans un jeu de bobines) n'interagissent pas entre eux, et que le contrôle du champ peut être conduit d'une manière progressive, bien que fastidieuse, jusqu'à des ordres très élevés.
  • Ces dispositifs sont décrits, en particulier, dans l'article "Magnet field profiling : Analysis and cor- recting coil design" publié dans "Magnetic Resonance in Medicine" 1,44-65 (1984). Ils sont constitués de bobines montées sur des cylindres entourant le patient et, si l'on voulait appliquer cette technique à des aimants permanents, il faudrait placer les bobines dans l'entrefer, relativement loin des pièces polaires, ce qui conduirait à une diminution inacceptable de la place réservée, dans cet entrefer, au corps du patient.
  • Pour les systèmes à imagerie RMN à aimants permanents, on ne connaît pas, à l'heure actuelle, les moyens mis en oeuvre par les constructeurs pour produire les gradients de champ linéaires, car ceux-ci ont conservé la confidentialité sur les structures utilisées.
  • On décrira maintenant une structure connue d'aimant permanent à laquelle s'applique spécialement bien la présente invention et qui a fait l'objet de la demande de brevet français non publiée n° EN 8405903 du 13 avril 1984 au nom du demandeur.
  • Cette structure connue est représentée sur la figure 1 ci-jointe.
  • Sur cette figure 1, on a représenté, vu de face en perspective, un système à aimant permanent comportant ses deux pièces polaires supérieure 1 et inférieure 2 de forme générale parallélépipédique rectangle en un matériau ferromagnétique de très forte perméabilité. La structure est complétée latéralement par deux blocs magnétisants 3 et 4 également de forme parallélépipédique rectangle en des matériaux aimantés qui sont le siège de la force magnétomotrice destinée à produire le champ dans l'entrefer 5 en forme de tunnel, délimité précisément par les pièces polaires 1 et 2 et les blocs aimantés 3 et 4. Ces derniers blocs 3 et 4 sont constitués le plus souvent par la juxtaposition de colonnes constituées chacune d'un empilement de briques magnétiques élémentaires telles que 3a, 3b, 3c,... etc 4a, 4b, 4c... etc qui servent ainsi également d'entretoises et de soutien aux pièces polaires 1 et 2. Ces colonnes ne sont pas nécessairement jointives. L'entrefer en forme de tunnel 5 destiné au logement éventuel de tout ou partie d'un corps humain 6, possède, à cet effet, une largeur et une hauteur minimales de l'ordre de 500 mm.
  • Sur la figure 1, on a représenté par des flèches la répartition du flux magnétique et des lignes de champ dans les blocs aimantés 3 et 4 ainsi que dans les pièces polaires 1 et 2. Comme indiqué sur cette figure 1, l'induction magnétique de polarisation Bo dans le tunnel 5 est dirigée verticalement de haut en bas, c'est-à-dire de la pièce polaire 1 vers la pièce polaire 2, traversant ainsi le corps 6 du patient selon une direction sagittale identifiée, dans toute la suite du présent texte, avec l'axe Oz de repère du trièdre de référence Ox,y,z de la figure 1.
  • Dans cette configuration, les gradients de la composante Bz selon Oz des différents champs résultants nécessaires à la construction de l'image par codage spatial, à savoir
    Figure imgb0018
    doivent être constants et satisfaire les trois égalités suivantes :
    Figure imgb0019
    Figure imgb0020
    Figure imgb0021
    dans lesquelles Bz est la composante de l'induction résultante selon l'axe Oz précédemment défini et Gx, Gy, Gz sont les trois gradients constants de l'induction résultante selon les trois directions Ox, Oy et Oz.
  • La présente invention a précisément pour objet un système de bobines, adaptables notamment à la structure précédente ainsi qu'à tout type d'aimants présentant des pièces polaires flottantes de forte perméabilité, et produisant des champs à gradients constants à ± 1 % dans les volumes à imager.
  • Ce système de bobines de production de champs additionnels dans un aimant comportant deux pièces polaires pour imagerie par résonance magnétique nucléaire dans une configuration où le champ de polarisation
    Figure imgb0022
    perpendiculaire aux pièces polaires, est parallèle à la direction Oz d'un trièdre trirectangle de référence, et les pièces polaires, rectangulaires présentent chacune deux faces opposées et ont leurs côtés parallèles aux directions Ox et Oy de ce même trièdre, pour l'obtention de champs de polarisation résultants
    Figure imgb0023
    dont la composante
    Figure imgb0024
    selon la direction Oz a des gradients constants Gx, Gy, Gz selon les trois directions de l'espace. Le système conforme à la présente invention est caractérisé selon la partie caractérisante de la revendication 1.
  • Selon des variantes du système conforme à l'invention, les enroulements de création des gradients Gx et Gy peuvent se présenter sous deux formes différentes.
  • Dans une première forme, les "retours" de courant sont situés sur la face opposée des conducteurs "aller" et chaque pièce polaire est ainsi en quelque sorte "emmaillotée" par les conducteurs qui parcourent ses deux faces.
  • Dans une deuxième forme de mise en oeuvre, seuls les conducteurs "aller" sont situés à la surface des pièces polaires, les conducteurs "retour" étant situés en une zone de l'espace éloignée des pièces polaires.
  • Dans une installation d'imagerie par RMN dans laquelle l'aimant est un aimant permanent muni de pièces polaires, on sait qu'il n'est pas possible d'utiliser les mêmes bobines pour produire le champ de polarisation
    Figure imgb0025
    et les champs additionnels superposés à ce champ
    Figure imgb0026
    pour effectuer la construction spatiale de l'image. L'invention propose donc un système de bobines particulièrement simple qui permettent de créer, avec une linéarité à 1% près, de tels champs additionnels conduisant à des gradients constants. Dans la structure de cet ensemble de bobines selon l'invention, toutes les bobines sont situées sur les pièces polaires sans aucune perte de place pour le patient qui doit être logé dans le tunnel constitué par le circuit magnétique de l'aimant.
  • Par ailleurs, les courants qui sont nécessaires pour créer les champs additionnels à gradients constants sont pratiquement égaux à la moitié des intensités de courant qui sont nécessaires pour créer ces mêmes champs additionnels dans les systèmes de l'art antérieur où les bobines créatrices du champ de polarisation sont le plus souvent dans l'air.
  • Selon l'invention, le système d'enroulements d'axe Oz est composé de deux bobines symétriques situées sur les pièces polaires et conçues chacune de façon telle que l'intensité de courant qui traverse un plan passant par l'axe Oz, entre le centre de la bobine et un point distant de r de cet axe, soit proportionnel à r2.
  • De façon plus précise encore, lorsque le système d'enroulements d'axe Oz est composé de deux bobines constituées de spires circulaires concentriques, la condition précédente se traduit par le fait que la répartition spatiale de ces spires en fonction du rayon croît de façon telle que la somme totale des spires intérieures à un cercle de rayon r soit proportionnelle à r2.
  • Selon un mode de mise en oeuvre particulièrement simple du présent système de bobines, les spires de celles-ci sont réparties selon des groupements situés à des distances r, 2r,3r,... de l'axe Oz, le nombre de spires des groupements successifs étant égal aux termes de la suite des nombres impairs 1, 3, 5... (2n+1). On sait en effet que la somme des nombres impairs de 1 à 2n+1 est égale à (n+1)2, ce qui est conforme à la caractéristique précédemment énoncée pour le groupement des spires de bobines.
  • Dans une variante de l'invention, le système d'enroulement d'axe Oz est réalisé à l'aide d'un circuit imprimé en forme de spirale dont l'espacement entre les bandes va en se rétrécissant au fur et à mesure que l'on s'éloigne du centre de façon à respecter la loi de répartition du courant proportionnellement à r2 selon la direction radiale.
  • Selon une autre variante de réalisation de ce même système de bobines, le système d'enroulements de symétrie circulaire d'axe Oz est constitué de bobines discrètes localisées sur les sections droites de cônes circulaires de sommet 0, centre de l'entrefer, d'axe Oz et de demi-angles au sommet e.
  • Dans un premier exemple de mise en oeuvre de cette variante, les bobines au nombre de 2 sur chaque pièce polaire comportent respectivement des nombres de spires dans le rapport de l'ordre de 1 à 8,66 et sont situées sur des cônes de demi-angles au sommet voisins de 91 = 34° et 92 = 62°.
  • Dans une autre réalisation de cette même variante, les bobines, au nombre de trois sur chaque pièce polaire, comportent respectivement des nombres de spires dans les rapports de l'ordre de 1 à 3,89 et 31,85 et sont situées sur des cônes de demi-angles au sommet voisins de 61 = 26°, 62 = 47° et o3 = 69°.
  • De toute façon, l'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui suit de plusieurs exemples de mise en oeuvre, donnés à titre surtout illustratif et non limitatif, en se référant aux figures 2 à 9 ci-jointes sur lesquelles :
    • - les figures 2 et 3 représentent en perspective cavalière et en coupe selon un axe Oy un exemple de réalisation des gradients Gx et Gy,
    • - la figure 4 montre une réalisation possible d'une bobine d'axe Oz pour la création du gradient Gz,
    • - la figure 5 montre une variante de la bobine précédente dans une réalisation sous forme d'un circuit imprimé,
    • - la figure 6 montre une autre variante d'une bobine de création du gradient Gz constituée d'un empilement de spires plates,
    • - la figure 7 est une vue en coupe selon le plan yOz des pièces polaires de l'aimant permanent permettant d'expliquer le fonctionnement des bobines précédentes,
    • - la figure 8 montre l'exemple d'une réalisation de bobines pour créer le gradient Gz à l'aide de deux bobines discrètes situées sous les pièces polaires,
    • - la figure 9 montre un exemple de réalisation comportant trois bobines discrètes pour créer ce même gradient Gz.
  • Sur la figure 2, on a représenté schématiquement en perspective cavalière les deux pièces polaires 1 et 2 de l'aimant de la figure 1 sur lequel sont situés les enroulements 1 a et 1 b de création du gradient Gx et 2a et 2b de création du gradient Gy. Comme on le voit sur cette figure, les bobines 1 a et 1 b d'une part et 2a et 2b d'autre part sont montées en série et entourent les pièces polaires 1 et 2 de deux nappes de courant constituées de conducteurs parallèles aux directions Ox et Oy et uniformément répartis à la surface des pièces polaires 1 et 2. L'enroulement 2a, 2b qui sert à la création du gradient Gy est orthogonal au premier et est constitué de la même façon par des nappes de conducteurs parallèles uniformément répartis selon l'axe Ox. Conformément à l'invention, et comme on le voit sur la figure 3 pour la bobine 1 a et la bobine 1 b, les sens de courant sont inversés de l'une à l'autre bobine, c'est-à-dire symétriques par rapport à la direction Ox pour les bobines 1 a et 1 b et Oy pour les bobines 2a et 2b. Comme on le voit également sur les figures 2 et 3, le retour de courant de chaque conducteur est assuré par une nappe parallèle située de l'autre côté de chaque pièce polaire qui joue ainsi le rôle de noyau magnétique plongé dans un solénoïde à base rectangulaire. Lorsque le courant continu est établi dans les nappes de courant précédent, celui-ci conduit à créer des potentiels magnétiques croissants de façon linéaire suivant les directions x ou y dans les pièces polaires. On obtient ainsi des champs de gradients constants selon ces directions et, si on applique simultanément le courant dans les deux enroulements 1a, 1 b d'une part et 2a, 2b d'autre part, on obtient par superposition d'état un gradient de champ dirigé dans le plan xOy.
  • De manière pratique, les bobinages sont réalisés soit avec du fil isolant encerclant les pièces polaires 1 et 2, soit par gravure sur circuit imprimé dont les deux plans sont ainsi réunis par des bandes ou fils de liaison rigides. Conformément à l'invention, les nappes 1a et 1 b d'une part sont parcourues en série par la même intensité ainsi que les nappes 2a et 2b d'autre part.
  • La longueur des pièces polaires 1 et 2 étant grande par rapport à l'épaisseur de l'entrefer nécessaire pour l'homogénéité du champ
    Figure imgb0027
    on obtient ainsi facilement des gradients constants à plus ou moins 1 % près sur environ la moitié de chacune des plaques polaires 1 et 2. Si l'on souhaite augmenter encore l'homogénéité du champ continu
    Figure imgb0028
    on peut améliorer la zone d'homogénéité du gradient précédent en modifiant légèrement l'espacement des conducteurs des nappes 1a, 2a et 1 b, 2b précédentes près des extrémités des plaques ou ce qui revient au même en superposant à des nappes régulières quelques ampères-tours supplémentaires. Cette correction est de même nature que celle du champ continu
    Figure imgb0029
    que l'on obtient dans les aimants permanents à l'aide des systèmes d'anneaux de garde.
  • On expliquera maintenant en se référant à la figure 3 le principe du fonctionnement du système de bobines de la figure 2 qui est le suivant. Pour ce faire, on calculera la circulation du vecteur champ H le long de la boucle fermée 7 parcourant à la fois l'entrefer de dimension E et les pièces polaires 1 et 2 supposées en un matériau de perméabilité suffisamment forte (µ > 100) pour que l'on puisse supposer nulle la force magnétomotrice nécessaire pour la circulation du champ dans ces pièces polaires proprement dites. Dans ces conditions, si l'on appelle +X et -X les abscisses extrêmes de la boucle 7, le théorème d'Ampère s'écrit alors le long de cette boucle 7 :
    Figure imgb0030
    formule dans laquelle E est la largeur de l'entrefer, ix est la densité linéique de courant à la cote x et s'exprime en A.m-1, µα vaut dans le système SI 4n. 10-7 A.s.V-1.m-1.
  • La condition à réaliser pour le gradient Gx étant par définition Bz(X)=Gx.X, il en résulte :
    Figure imgb0031
  • L'équation 2 montre que la proportionnalité de la composante Bz(X) à l'abscisse X est obtenue automatiquement par une densité de courant i constante dont la valeur est donnée par l'équation 2.
  • Ce calcul permet de vérifier que la structure des figures 2 et 3 permet bien, à l'aide de la nappe 1 a, 1 b de bobines entourant les pièces polaires 1 et 2, de créer dans l'entrefer un champ additionnel dont le gradient Gx est constant dès lors que les bobines de pas constant sont parcourues en série par un courant I.
  • Sur la figure 4, on a décrit un des modes de réalisation possible des bobines de structure circulaire concentrique centrées sur l'axe Oz destinées à produire le gradient Gz. Conformément à l'invention, cette bobine comporte des spires réparties de la façon suivante. A la distance r du centre 0 est située une spire référencée 8, à la distance 2r du centre 0 se trouvent trois spires référencées 9 et à la distance 3r du centre 0 se trouvent cinq spires référencées 10. Toutes ces spires sont évidemment en série entre une entrée 11 et une sortie 12 et deux ensembles tels que celui de la figure 4 se font face sur les deux pièces polaires 1 et 2, chacun de ces ensembles étant parcouru par la même intensité i circulant en sens inverse du sens de circulation dans l'autre bobine. Le nombre de groupes de spires n'est pas limitatif. Dans la pratique on prendra un pas entre chaque groupe de l'ordre du centimètre.
  • Sur la figure 5, on a représenté une bobine de création du gradient Gz qui comporte autour de l'axe Oz, sur la face plane de la pièce polaire tournée vers l'entrefer, un circuit imprimé 13 en forme de spirale dont l'espacement entre les différentes bandes va en se rétrécissant au fur et à mesure que l'on s'éloigne du centre 0, de façon à ce que l'intensité de courant qui circule perpendiculairement à l'un des plans xOz ou yOz entre le centre 0 et un point distant de r, soit proportionnelle au carré de la distance r au centre 0.
  • Sur la figure 6, une variante de réalisation de la bobine créatrice du gradient Gz est représentée, dans laquelle cette bobine comporte un certain nombre de spires plates telles que 14 assemblées selon des zones concentriques dont chacune a la largeur d'une spire. On réalise ainsi un empilement de profil conique dans le plan de la figure qui est le plan yOz de la figure 1. Bien entendu, les différentes spires ainsi empilées sont isolées les unes des autres, montées en série et parcourues par des courants dont les sens marqués sur la figure 6 sont opposés quand on passe de la bobine recouvrant la pièce polaire 1 à la bobine recouvrant la pièce polaire 2. La répartition des différentes spires plates élémentaires répond à la condition selon laquelle le nombre de spires dans un plan zOy depuis le centre jusqu'à la distance r de l'axe Oz est proportionnel à r2.
  • Le principe de fonctionnement des bobines des figures 4, 5 et 6 sera décrit maintenant en se référant à la figure 7 dans laquelle on voit les pièces polaires 1 et 2 en coupe selon le plan yOz. Sur cette figure, deux bobines de création du gradient Gz conforme à l'invention ont été schématisées par les conducteurs supérieurs 15 et 16 et inférieurs 17 et 18.
  • Si l'on considère maintenant un volume cylindrique de rayon R centré sur l'axe Oz d'épaisseur dz à la hauteur Z, le flux entrant par la face supérieure de ce volume est Bz.S=Gz.(Z+dz).icR2, le flux sortant par la face inférieure de ce même volume est Gz.(Z).jtR2 La différence entre ces deux flux doit être égale au flux s'échappant par les parois latérales, soit : Gz.dz.irR2=Br.27rR.dz ou encore :
    Figure imgb0032
    formule dans laquelle Br (R) est l'induction radiale à la distance R du centre.
  • En revenant maintenant à la figure 7, on examinera deux chemins fermés 19 et 20 sortant des pièces polaires suivant l'axe Z (A et A') puis un trajet commun dans le plan médian (B et B') puis deux trajets parallèles à l'axe Z entrant dans les pièces polaires (C et C') pour se refermer selon deux trajets (D et D').
  • La circulation du champ est nulle pour les trajets D et D' dans les pièces polaires (perméabilité µrei > 100), elle est opposée pour les portions A et C ainsi que A' et C' (composante Bz). Il ne reste que la circulation de Br le long de B et B' qui permet d'écrire :
    Figure imgb0033
    formule dans laquelle ir est la densité de courant linéique dans les bobines 15-16 et 17-18, soit
    Figure imgb0034
  • D'où finalement par rapprochement avec l'égalité (3) précédente :
    Figure imgb0035
  • Cette dernière formule (4) signifie que, pour créer des gradients Gz, il suffit de tapisser les faces en regard des pièces polaires de nappes de courant circulaires centrées sur cet axe z et dont la densité linéique ir croît linéairement comme r. Cette condition conduit en effet pratiquement à réaliser des bobines concentriques dont le nombre de spires croît de manière telle que la somme totale des spires intérieures dans un cercle de rayon r soit proportionnelle au carré de la distance r au centre.
  • On décrira maintenant en se référant aux figures 8 et 9 deux types de bobines particulières, toujours d'axe Oz, pour créer des gradients Gz, mais sous forme de bobines discrètes dont la position et le nombre de tours sont déterminés par des abaques et calculs issus de la théorie des polynômes de Legendre.
  • Sur la figure 8, où l'on a représenté encore une fois schématiquement les pièces polaires 1 et 2, on a logé contre ces pièces polaires 1 et 2 quatre bobines 21, 22, 23 et 24 qui sont situées respectivement à l'intersection des faces polaires et de cônes circulaires d'axe Oz dont le sommet est situé en 0 et de demiangles au sommet d'ouverture 81 = 34° et 02 = 62°. Le rapport du nombre de spires entre les bobines 21 et 22 ou 23 et 24 est le plus voisin possible de 1 à 8,66 et les sens des courants, figurés schématiquement sur la figure 8 par les signes conventionnels classiques, sont, comme toujours dans la présente invention, inversés d'une pièce polaire à l'autre.
  • Sur la figure 9, on a représenté une structure de même nature que celle de la figure 8 mais comportant sur chaque pièce polaire trois bobines au lieu des deux précédentes ; elles sont référencées respectivement 24, 25 et 26 pour la pièce polaire 1 et 27, 28 et 29 pour la pièce polaire 2. Conformément à l'invention, ces bobines sont situées à l'intersection des pièces polaires 1 et 2 avec des cônes cylindriques de révolution d'axe Oz et de demi-angles aux sommets respectifs 26° pour le premier cône, 47° pour le second et 69° pour le troisième. Les rapports des nombres de spires dans chacune des bobines sont, du centre à la périphérie, de l'ordre de 1 à 3,89 et 31,85. Comme précédemment, les sens de courant figurés sur les bobines sont inversés lorsque l'on passe de la pièce polaire 1 à la pièce polaire 2.
  • Comme on le voit dans toutes les réalisations qui viennent d'être décrites précédemment, les systèmes de bobines objet de l'invention sont situés tout contre les faces des pièces polaires en regard de l'aimant de polarisation et ne conduisent pratiquement de ce fait à aucune perte de place pour l'espace réservé dans l'entrefer au logement du patient à examiner.

Claims (11)

1. Système de bobines de production de champs additionnels dans un aimant comportant deux pièces polaires (1, 2) pour imagerie par résonance magnétique nucléaire dans une configuration où le champ de polarisation
Figure imgb0036
perpendiculaire aux pièces polaires, est parallèle à la direction Oz d'un trièdre trirectangle de référence, et les pièces polaires (1, 2), rectangulaires ou circulaires présentent chacune deux faces opposées et ont leurs côtés parallèles aux directions Ox et Oy de ce même trièdre, pour l'obtention de champs de polarisation résultants
Figure imgb0037
dont la composante
Figure imgb0038
selon la direction Oz a des gradients constants Gx, Gy, Gz selon les trois directions de l'espace, caractérisé en ce qu'il comprend :
- pour la création des gradients
Figure imgb0039
deux nappes d'enroulements orthogonales (1a, 1 b, 2a, 2b), une sur chaque pièce polaire (1, 2), chacune étant constituée de conducteurs parallèles à l'un des axes Ox ou Oy et uniformément répartis, et étant alimentée de telle sorte que les courants circulent dans la même direction sur les faces internes de l'entrefer,
- pour la création du gradient
Figure imgb0040
deux systèmes d'enroulement (8; 9; 10; 13; 14) de symétrie circulaire d'axe Oz, chaque système étant situé sur une face interne respective en regard d'une pièce polaire et parcouru par des courants de sens opposés à ceux des courants parcourant l'autre système.
2. Système de bobines selon la revendication 1, caractérisé en ce que les enroulements de création des gradients Gx et Gy ont leurs conducteurs de retour de courant situés sur la face opposée à la face sur laquelle sont situés les conducteurs d'aller de courant, chaque pièce polaire étant enveloppée par les conducteurs qui parcourent ses deux faces.
3. Système de bobines selon la revendication 1, caractérisé en ce que les enroulements de création des gradients Gx et Gy ont leurs conducteurs d'aller de courant situés à la surface des pièces polaires, les conducteurs de retour de courant étant situés dans une zone de l'espace éloignée des pièces polaires.
4. Système de bobines selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système d'enroulement d'axe Oz est composé de deux bobines symétriques situées sur les pièces polaires et conçues chacune de façon telle que l'intensité de courant qui traverse un plan passant par l'axe Oz entre le centre de la bobine et un point distant de r de cet axe soit proportionnelle à r2.
5. Système de bobines selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est constitué de spires circulaires concentriques 8, 9, 10 dont la répartition spatiale croît en fonction du rayon de façon telle que la somme totale des spires intérieures à un cercle de rayon r soit proportionnelle à r2.
6. Système de bobines selon la revendication 5, caractérisé en ce que les spires (8, 9, 10) sont réparties selon des groupements situés à des distances r, 2r, 3r,... de l'axe Oz, le nombre de spires des groupements successifs étant égal aux termes de la suite des nombres impairs 1, 3, 7..., (2n+1).
7. Système de bobines selon la revendication 4, caractérisé en ce que le système d'enroulement d'axe Oz est réalisé à l'aide d'un circuit imprimé (13) en forme de spirale dont l'espacement entre les bandes va en se rétrécissant au fur et à mesure que l'on s'éloigne du centre de façon à respecter la loi de répartition du courant proportionnellement à r2 selon la direction radiale.
8. Système de bobines selon la revendication 5, caractérisé en ce que le système d'enroulement d'axe Oz est réalisé par un empilement des pires plates contiguës (14) et en série, selon un profil conique dans un plan passant par Oz et respectant la loi du nombre de spires proportionnel à r2 dans un cercle de rayon r.
9. Système de bobines selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système d'enroulement de symétrie circulaire d'axe z est constitué de bobines discrètes (21, 22, 24,25, 26) localisées sur les sections droites de cônes circulaires de sommet 0, centre de l'entrefer, d'axe Oz et de demi-angles au sommet e.
10. Système de bobines selon la revendication 9, caractérisé en ce que les bobines, au nombre de deux (21, 22, 23, 24) sur chaque pièce polaire, comportent respectivement des nombres de spires dans le rapport de l'ordre de 1 à 8,66 et sont situées sur des cônes de demi-angles au sommet voisins de 91=34° et ez=62°.
11. Système de bobines selon la revendication 9, caractérisé en ce que les bobines (24, 25,26) au nombre de trois sur chaque pièce polaire, comportent respectivement des nombres de spires dans les rapports de l'ordre de 1 à 3,89 et 31,85 et sont situées sur des cônes de demi-angles au sommet voisins de ei=26°, s2=47° et 83=69°.
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